处理机的多级调度

处理机的多级调度

• 高级调度（作业/长程/宏观调度）

  用于决定把外存上处于后备队列中的那些作业 调入内存，并为它们创建进程和分配必要资源； 然后，再将新创建的进程插入到就绪队列上准 备执行

• 中级调度（中程调度）

  为提高内存利用率和系统吞吐量，应使那些暂 时不能运行的进程放弃占用内存资源，即调至 外存上去等待；当内存稍有空闲时，可将外存 中那些重又具备运行条件的就绪进程重新调入 内存，修改其状态和挂到就绪进程队列等待进 程调度

• 低级调度（进程/短程调度）

  用来决定就绪队列中的哪个进程将获得处理机， 然后再由分派程序执行把处理 机分配给该进程的具体操作

  • 调度方式分类
    • 非抢占方式（仅适用于批处理系统）
      1. 处理机分配给进程直至完成或阻塞
      2. 引起进程调度的因素：当前进程执行完毕或 因发生事件、提出I/O请求、执行原语操作而 阻塞
      3. 实现简单、系统开销小，但难以满足紧急任 务要求，故不宜在实时系统中采用
    • 抢占方式（分时、实时及批处理系统均可）
    1. 允许暂停正在执行进程和重新分配处理机
    2. 抢占原则（优先权/短作业优先/时间片原则）

抢占调度算法

短作业优先调度算法（SJF/SPE)

基本思想：选取服务时间最短的若干道作业装入内存，并采用适当进程调度算法调度执行

高优先权优先调度算法(FPF)

基本思想：见名知意

高响应比优先调度算法

基本思想：短作业优先调度算法+动态优先权机制

动态优先权机制是在创建进程时赋予该进程一个初始优先级，然后其优先级随着进程的执行情况的变化而改变，以便获得更好的调度性能。

优先权（响应比）：（等待时间+要求服务时间）/要求服务时间

因此，使得作业的优先权随着等待时间的增加而提高。

优点：

该算法既照顾了短作业，又考虑了作业到达的先后次序，不会使得长作业长时间得不到服务。

缺点：

该算法每次调度前都要进行响应比的计算，增加系统的开销。

时间片轮转调度算法

基本原理：系统将所有的就绪进程按先来先服务的原则排成一个队列，每次调度都将cpu交给队首的进程，令其执行一个时间片的时间，执行的时间片用完就令该进程放弃时间片，并将其挂入队尾进行下一次的等待。

优点：

基于时间片轮转，能让每个任务都有时间得到执行，有较好的交互性

缺点：

时间片的确定比较复杂。 时间片太短，有利于短作业，但会频繁的发生中断，进程上下文的切换，增加系统开销；时间片太长，使得每一个进程在一个时间片单位内都能完成任务，算法便退化成了先来先服务算法 （FCFS）算法，无法满足交互式需求。

周转时间：从作业提交到作业完成的时间间隔

带权周转时间：反映长短作业的差别 。带权周转时间越大，作业(或进程)越短;带权周转时间越小，作业(或进程)越长·。

带权周转时间的计算：周转时间/服务时间

进程的上下文切换：

原文连接：https://blog.csdn.net/wb_snail/article/details/105316732

我们知道CPU干的事情很简单，就是取指令然后执行它，作为操作系统，你得让CPU知道从哪里取指令，指令执行时还需要数据，数据从哪里拿你也得告诉它。如果在执行过程中被切换走，CPU计算过程中产生的一些临时数据也得告诉它，这样它才可以正常执行指令。

那怎么告诉CPU这些信息呢？

只要给CPU的各种寄存器赋值就好了，包括程序计数器里的下一条指令地址，数据段寄存器里的程序数据段起始地址，代码段寄存器里的程序指令段的起始地址，各种通用寄存器中的数据等等

所以，切换切的就是CPU各种寄存器中的值，让CPU知道从哪里取指令取数据，然后它就可以愉快的执行了，这些在进程运行时存在寄存器中的值就称作进程上下文

我们要把当前在执行的进程切走，然后把另一个进程切来，后面还会把当前进程切回来接着执行，所以当前进程切走的前一刻，各个寄存器中的值我们得保存下来放到一个地方，后面再切它回来时就从这个地方取出来再赋值给寄存器，CPU就可以接着上次切走该进程前继续执行了。那保存在哪呢？

每个进程创建后，操作系统都会为其维护一个进程控制块(PCB)，包括进程标识信息(如PID，父进程PID)，进程的控制信息(操作系统需要对进程进行管理和控制，决定其状态)，以及处理器状态信息，这里面就保存了进程的运行的上下文信息

现在我们就清楚了，操作系统把当前CPU各个寄存器中的值存到进程的PCB中，从另一个进程的PCB中取出之前某个时刻存进去的内容，赋给寄存器，就完成了一次进程上下文切换

除了正常调度进程需要上下文切换外，还有一种上下文切换，是操作系统检测到中断时发生的，包括IO设备引起的中断，应用程序主动发起系统调用(如文件读写)，以及应用程序发生错误(比如除以0操作)，操作系统检测到中断信号后，会通过中断向量表找到对应的处理程序，然后切换成处理程序进程，处理完成后再切换回来，过程与上面大致相似

多级反馈队列调度算法

基本原理：

（1）设置多个就绪队列，并为各个队列赋予不同的优先级，每个队列里的进程按时间片的方式执行。 第一个队列的优先级最高，第二个队列次之，其余各队列的优先权逐个降低。该算法赋予各个队列中进程执行时间片的大小也各不相同，在优先权愈高的队列中，为每个进程所规定的执行时间片就愈小。
（2）当一个进程进入内存时，首先将其放入第一队列，按FCFS原则排队等候调度。当调度到该进程时，若能在时间片内完成，便撤离系统，若在一个时间片内未完成，将其挂入第二队列队尾，再按照FCFS原则进行排队等候，之后按照第一队列的方式进行执行。
（3）仅当第一队列空闲时，才会调度第二队列中的进程，仅当第1~（i-1）队列均空闲时，才会调度第i队列中的进程。

优点：

有较好的性能，能很好的满足各类型用户的需求

缺点：

有很多的排队队列，要消耗系统资源

实时调度

实时系统中存在两类不同的任务：硬实时任务(HRT)：【必须满足任务对截止时间的要求】 和软实时任务（SRT)：【联系着一个截止时间，但是并不严格 】；它们都关联着一个截止时间；实时调度算法必须能够满足实时任务对截止时间的要求，否则会产生严重的后果；所以实时调度算法有一定的条件。

最早截止时间优先算法（Earliest Deadline First）

该调度算法中，根据任务的截止时间确定任务的优先级，任务截止时间越早，优先级越大；具有最早截止时间的任务排在队列队首；

例：

最低松弛度优先调度算法（Least Laxity First）

该调度算法中，根据任务的紧急程度来确定任务的优先级，越紧急的任务，其优先级越大；而越紧急也意味着它的松弛度越低；

任务的松弛度：任务的完成截止时间-任务要求的处理时间-当前时间

调度发生的情况为：某一任务正常结束或者某一任务的最低松弛度变为0；

在刚开始时(t1=0)，A1必须在20ms时完成，而它本身运行又需10ms，可算出A1的松弛度为10ms；B1必须在50ms时完成，而它本身运行就需25ms，可算出B1的松弛度为25ms，故调度程序应先调度A1执行 ，以此类推。

优先级倒置现象

优先级倒置 ：出现具有高优先级的进程因低优先级的进程而阻塞的情况

例如：低优先级A首先获得了临界资源R（因为比它高级的进程还没到），然后有比它优先级高的进程B到来，A被剥夺处理机，但是临界资源并没有被释放，之后用于最高优先级的进程C到来，B被抢占处理机，但C由于请求临界资源R失败而阻塞(进入阻塞队列)，之后B开始运行，结束后A再运行临界区代码，进程A释放临界资源R后，C才能执行。这样B进程比C进程优先级低，但是先得到处理。

解决办法：

1. 当进程处于临界区的时候，不允许中断，这样A执行完毕后，因为C的优先级高，处于就绪队列的前面，所以C可以在B之前执行，但是当A的临界区非常长，则C还是要等待较长时间 ，所以只适用于系统中的进程临界区较短，且不多的情况
2. 当优先级较高的进程要进入临界区，使用临界资源，如果有一个低优先级进程正在使用该资源，那么高优先级进城被阻塞，而低优先级进程将继承高优先级进程的优先级，直到低进程退出临界区；这样就可以避免低进程被中等进程阻塞而出现优先级倒置现象；